印度兰吉特大坝的泥沙管理

印度·Siba Prasad Sen

印度兰吉特大坝的泥沙管理

印度·Siba Prasad Sen

印度兰吉特河（Rangit）是提斯塔河（Teesta）的主要支流，位于东喜马拉雅地区。兰吉特水电站装机60 MW，于2000年2月投入运行。每年5～9月汛期之间，兰吉特河输沙量巨大，2006年，该电站发生水淹厂房事故。

兰吉特大坝；沉积物；修复

2006年7月11日午夜时分，兰吉特河冲向发电厂房和3台正在满负荷运行的发电机的峰值流量达1 405 m3/s，含沙量为51.5 kg/m3·s-1。泥沙混合着其他杂物进入了水轮机、冷却水系统以及阀门等各部件运行的各个部位，并造成了堵塞。

随后机组停止发电，进行清理。但两日之后，即7月13日，在清理一个阀门时，忽然有水流进入。堵塞的阀门无法关闭，之后，厂房被淹，水位到达仪器箱高度。电站在10月中旬前都无法发电，效益损失巨大，同时，水轮机和发电机也遭受了巨大的损失。

图1 兰吉特大坝Fig.1 Rangit dam

为降低未来再次发生此类事故的可能性，对溢洪道闸门和大坝的操作流程进行了复核，对进水口闸门和溢洪道的操作流程进行了修改。虽然一定程度上减小了峰值发电能力，但电站的性能和运行都得到了极大的改善。因为无法减小流经溢洪道的水流含沙量和改变其特性，因此不能完全消除每年度对溢洪道反弧段及下游消力池的损坏。

1 电站概况

兰吉特水电站由印度国家水电公司（National Hydroelectric Power Corporation，NHPC）修建，建于兰吉特河上，是位于东喜马拉雅地区锡金的提斯塔河右岸的主要支流。兰吉特河发源于达龙（Talung）冰川，在向前蜿蜒61 km后，在梅里汇入提斯塔河。兰吉特大坝坝址处，流域排水区面积为979 km2，降雨集水区面积为712 km2，平衡区为雪线4 570 m高程以上的融雪供养区。整个流域高程为600～7 338 m之间。大坝上游约360 m处，兰吉特河与另一条河——Rothangchu相汇。兰吉特河和Rothangchu河的输沙量都非常大，主要集中在汛期。兰吉特大坝是一座混凝土重力坝，从坝基最深处算起，兰吉特大坝坝高为50 m。兰吉特大坝有3条带闸门的溢洪道，每个溢洪道闸墩跨径为9 m，溢洪道的总开度为39 m。溢洪道设计在水库满库水位（full reservoir level，FRL）时的流量为2 725 m3/s。兰吉特水库总蓄水量为106×104m3。根据2006年汛后水库调查，其调节库容为98.3×104m3。兰吉特水库很小，有2个分支，长约1 km，延伸到了兰吉特河和Rothangchu河中。电站的进水口位于大坝和兰吉特河的左岸。引水隧洞长3 km，设计流量为56 m3/s。引水隧洞和地面压力钢管末端是地面发电厂房，位于兰吉特河岸。电站总装机容量60MW（3×20MW），于1999年12月～2000年2月开始投入运行。

2 水流特性

兰吉特河70%～80%的总流量发生在汛期，即每年6～9月。若加上汛前的5月，这几个月的流量占比可高达85%。工程设计时，预测每年平均输沙量为269×104t，但2006～2007年的观测数据显示，其实际输沙量远大于设计时的预测值，约在380×104～1 728×104t之间。

每年汛期的水流量占全年总流量的70%～80%，而输沙量则占整年的90%～98%，这为大坝和电站的运行增加了难度。

很明显，年沉积量和年泄流量没有相关性，因此预测或预报汛期的泥沙流量实际是不可能的。虽然工程设计阶段未预料到有如此大的输沙量，但工程进水口建筑物有2扇不同高程的进水口闸门。

大坝溢洪道顶高程为620 m，下层的进水口顶高程为621.50 m，上层的进水口顶高程为632.50 m。汛期泄洪时，大量水和泥沙通过溢洪道，其结果是，下层的进水口处水流泥沙含量较高。

兰吉特河几乎正对进水口，将两条河流中的大部分泥沙带到了大坝处。由于进水口距两河交汇处很近，且水库长度不大，深度不大，水库死库容几乎已经被泥沙填满，因此水库中泥沙沉积的密度分布不均衡。

另外，每年汛期，溢洪道也承受着含沙水流的冲击。对沉积物进行岩石学分析表明，其中约65%的沉积物含有石英作为其主要成分。含沙水流也对水轮机各部件造成了巨大的破坏，如流道、导流叶片、迷宫密封、底封及其他水下部件，还堵塞了冷却水管和冷却水系统。泥沙还对溢洪道的反弧段及消力池的缓坡造成了较大损毁。

含沙水流对溢洪道和消力池的破坏主要是在斜坡段和消力池的左边。因为Rothangchu河与兰吉特河交汇时成锐角，因此水流和大部分泥沙由于惯性会滞留在左岸，因此，其对溢洪道造成的破坏也是非对称的，更多的泥沙进入了位于左岸的进水口。含沙水流对消力池造成的破坏也非常严重，已经威胁到了大坝本身的稳定性。2006年汛前，即5月份，运行单位对溢洪道和消力池的主要部分进行了维修，采用了含微硅的高性能混凝土作为其表层，厚约500 mm。消力池的剩余部分在2007年初的旱季得到维修。

3 2006年7月的水淹厂房事故及其破坏情况

2006年7月11日，突发大流量洪水，且泥沙含量极高，下层的进水口闸门无法立即关闭。洪水携带着原木、淤泥和垃圾通过了拦污栅，进入引水隧洞，沉积物堵塞了沉砂池。大量沉积物和淤泥通过引水隧洞进入发电厂房，堵塞了发电厂房内的所有设备组件，主进水口阀门（main inlet valve，MIV）的压力开始下降。

冷却水系统被堵塞，3台发电机组在凌晨1点30分被关停。此次突发含有大量杂物和原木的洪水的原因是，兰吉特大坝上游16 km处一天然形成的堤坝突然发生了溃决。

7月13日，在打开一个堵塞的过滤器隔离阀时，水位开始上升。不到4 h，厂房内水位上升到仪器箱的高度，造成许多组件被淹，包括排水泵及其控制面板、主进水口阀门、涡轮、定子、转子及所有机组的励磁板等。

8月13日，完成了整个发电厂房的清淤和排水工作。印度巴拉特重型电器有限公司（Bharat Heavy Electricals Ltd.，BHEL）也参与了厂房的恢复工作，其是机械和辅助元件的制造商。恢复工作包括清理定子、转子和发电组件，包括对水管、定子冷却器、轴承冷却器进行吹气、清理和冲洗以及进行压力测试。对涡轮机，工作内容包括调节器的恢复及更换轴密封。

印度国家水电公司负责发电厂房的工作小组几乎连续工作了24 h，以恢复生产。电站的3个机组在10月18日之前全部投入运营。

因为此次事故，印度国家水电公司发电效益的损失约为700万美元，其恢复和损毁修复的费用约为100万美元。

4 修复措施

由于诸多限制因素，河流中和（通过上下两层进水口进入）引水隧洞的含有大量泥沙的水流容易对兰吉特电站造成影响。其中关键的因素有水库容量小、兰吉特河及Rothangchu河汛期都会携带大量泥沙，且有时含量极高。此外，下层的进水口与溢洪道高程接近，即几乎和水库底在同一水平位置，由于大部分水流由下层的进水口进入，因此，高密度的泥沙可轻易地进入进水口。高密度的泥沙还会堵塞沉砂池、冷却水系统并破坏水下部件，影响电站的运行，有时甚至导致灾难性的后果。

为了解决这个问题，研究了许多方案，其中包括一个提议——汛期将下层的进水口关闭。首先检验了下层进水口的水力学特性。水库满库高程是639 m，上层进水口顶高程为632.5 m。后来发现从上层进水口按照设计流量引水会增加0.2～0.3 m的水头损失。通过将满库水位提高0.12～0.15 m，并将流量提高到比设计流量多几个百分点就可以解决这个问题。另外，水流也十分顺畅。

设计师考虑到两进水口位于不同的高程，最终采纳了如下针对进水口和溢洪道闸门的操作流程：

（1）汛期或水流量较大期间，所有3个溢洪道闸门都打开相同高度，这样在大坝处，更重要的是在消力池中，水和泥沙的分布是均匀的。

（2）5月1日～9月30日期间，不论河流中的泥沙量如何，都应关闭下层进水口闸门。

（3）由于河水流量在汛期间歇性上涨，应关闭发电厂房并打开所有溢洪道闸门，按一系列程序泄洪冲砂。比如，6月期间，当河水流量超过200 m3/s时进行冲砂。不考虑河水流量，至少应进行一次泄洪冲砂。7月期间，河水流量超过400m3/s时进行冲砂，若6月流量未超过这一数值，则无论流量如何，7月至少应进行一次泄洪冲砂。以上每种工况中，在泄洪冲砂的最后一小时，打开下层进水口闸门，把下层进水口附近淤积的泥沙通过溢洪道和消力池移除，打开消力池的所有闸门，然后再关闭下层进水口。

（4）9月30日之后，下层进水口闸门可适时打开，但10月31日之后，应一直保持开启，以保证峰值发电。在汛期，当进水口引流量为设计流量或大于设计流量的75%时，应将上层和下层进水口都完全打开，以使水流顺畅且水头损失最小。一直保持这种状态，直到水流中的泥沙含量小于5 kg/m3·s-1。

（5）水流中的泥沙含量达到或大于5 kg/m3·s-1时，应关闭下层进水口闸门。这将导致额外的水头损失。

5 洪水后的运行情况

2007～2008年，进行并完成了对水下部件的修理工作，这是上一年遗留下来的工作。因此，当年的效能指数和灾难发生前几乎一模一样。但2008～2009年后，兰吉特电站性态在机器可用性方面有了巨大改善。

溢洪道和消力池的破坏仍然会发生，但由于修复中使用了含有微硅粒子的高性能混凝土，大大减小了破坏程度。2010年和2012年汛期后，只需要进行非常轻微的修复工作。非常有必要对高性能混凝土进行进一步研究，以制作抗冲蚀和抗气蚀的表面。

6 结语

兰吉特水电站所在位置有着十分充沛的水流，同时也含有大量泥沙。就发电能力而言，此项目的设计相对保守。

然而，考虑到汛期河流中含有大量泥沙且水库库容很小，电站的运行也十分困难。2006年7月，一次含有高含量泥沙的灾难性洪水对整个电站和水坝造成了严重破坏。工程师和技术人员团队付出了艰苦卓绝的努力才将电站恢复到正常发电的状态，但是巨大的经济损失已经无法挽回。

在这种情况下，制定了让大坝和电站得以安全运行的替代方案。与理想化的替代方案相去甚远，它是基于先进的大坝运行预测系统得出的，但由于诸多因素的限制，该方案被否决了。

随后，对大坝和电站的运行流程进行了复核审查，基于大坝现场采集的观测数据，在现有运行工况下采用了一套新的运行导则。结果显示，大坝的整体运行情况有了显著改善。对新的运行导则，预期中也能应对类似2006年7月的突发情况。

然而，溢洪道的冲蚀和气蚀破坏现象仍然存在。通过使用含有微硅粒子的高性能混凝土，这一情况得到改善，但仍需进行更深入的研究。■

Sediment management for Rangit dam in India

Siba Prasad Sen

Rangit River,a major tributary of River Teesta,in the Eastern Himalaya supplies the 60 MW Rangit Hydro Power Station which was commissioned in February 2000 by NHPC.However,the river transports a large quantity of silt with its water during the monsoon months of May to September and during an incident in 2006 the project's powerhouse was flooded.

Rangit dam;sediment;repair

TV697.1

B

1671-1092（2017）03-0067-03

2017-04-27

文献来源：HYDRO REVIEW WORLDWIDE

编译：崔弘毅

校核：许传桂